淺析一種微型監控電路

毛國華，姜耀升，畢作佳

（陜西華經微電子股份有限公司，陜西 西安710065）

本文介紹基于厚膜混合集成電路工藝制成的一種監控電路，主要用于掃描系統中，起著交直流轉換器和信號發射、接收的作用。

1 技術指標

1．1 電特性

該產品使用條件為：－40℃≤Tc≤85℃；UCC＝220 V±10 V（另有規定除外）。產品主要的電特性指標見表1所示。

表1 主要電特性

1．2 外形尺寸

外形尺寸見圖1。

2 設計原理

圖1 外形尺寸

該產品在設計過程中與用戶進行了充分的溝通，在全面滿足用戶提出的性能指標的前提下，產品優良的抗振能力、必要的降額設計及良好的熱設計思想貫穿于整個設計中，集中保證了軍用產品的高可靠性。

2．1 電路設計及工作原理

該監控電路內含兩路DC／DC電源、后級可控硅控制電路、隔離雙光耦驅動電路和兩組簡單數字電路。DC／DC電源部分，輸入端采用全橋整流的方法提供電壓，主電路采用LT1533組成的推挽式脈寬調制電路；一路獨立的回路控制完成了穩壓功能；另一路沒有反饋回集成電路，而是通過一個三端穩壓器完成了穩壓功能，保證了輸出精度；其余電路均屬于為后級配套電路及部分外圍。具體線路見圖2。

圖2 電路原理圖

2．2 結構設計和可靠性設計

產品采用引線鍍金，玻璃絕緣子隔離，厚度為1．5 mm的可伐鋼材料銑成的平行封焊外殼；內部板與外殼采用雙股鍍銀絲線連接，并用灌封料將其剩余空隙填滿，使之與外殼成為一體，外殼使用平行封焊結構，并在底部設有四個安裝固定孔，提高了產品的抗振性能設計；元器件采取必要的降額設計并在其進廠后進行嚴格的工藝篩選，表貼元件采用再流焊工藝，焊接內部連線時操作工要帶防靜電手腕；由于電源內部有一些集中發熱元件，將這些大功率發熱元件如振蕩管、整流管、變壓器、電感等貼裝于外殼底面上，利用傳導散熱將熱量散發出去，使產品正常工作時其內部元件有一個合理的熱應力環境，提高產品的可靠性設計。

根據可靠性預計理論計算，該產品平均故障間隔時間為5．86×104h。

3 技術難點、解決措施和關鍵工藝技術

3．1 技術難點及解決措施

3．1．1 電路模式與關鍵器件的選定

主電路選擇輸入電壓范圍寬（2．7 V～23 V）的LT1533脈寬調制器，組成了推挽形式核心電路。其內部集成有功率管形成的推挽電路，可以直接驅動變壓器，節省了空間，易于布線。

（1）電阻：電阻采用厚膜印刷電阻，這樣，即使在相對苛刻的環境下電阻也能安全可靠地工作，確保不會失效。近年來，在厚膜印刷電阻方面取得了長足的進步，軍用電阻網絡已在用戶中取得了良好的信譽，其在125℃下，額定功率時工作6 000 h無失效，因此，厚膜電阻的高可靠性是完全可以信賴的。

（2）基片：電路承載基片選用AL2O3陶瓷基片。AL2O3陶瓷基片的熱傳導能力僅次于金屬，由于該電路的自身耗散功率不大，陶瓷基片的材質和面積足以將電路自身所產生熱量從容擴散出去，大大減小了由于熱效應對產品產生的老化作用，從而延長產品的使用壽命，提高了可靠性。

3．1．2 關于SCLK和SDA空載波形

在產品測試過程中，發現SCLK和SDA在空載測試時，波形不是平滑的方波，而是由臺階逐個疊加成的波形。通過詳細的原理分析和試驗檢測確認監控電路中環路系統不穩定造成了該現象，給其加一個5 mA左右的假負載，使其構成閉環，解決該問題。

3．1．3 關于輸出電壓波形晃動

在產品測試過程中，發現輸出電壓波形有時會晃動，分析主要有兩個原因引起，一是補償端電阻電容容量已出現較大的偏差，二是PGND接地電感容量偏大。

3．1．4 關于粘結工藝的改進

在半成品篩選過程中，發現基片裂片的問題，分析是由于PCB板和基片的張力相差過大引起的，所以將二者的粘結方式由高溫環氧改為一種合格的粘結劑。該粘結劑具有很好的粘性和彈性，不受溫度變化的影響，經多次篩選試驗，證明可以解決基片裂片的問題。

3．2 關鍵工藝技術

焊接件組裝為關鍵工藝技術，在產品裝配中，需將基片和PCB板粘結起來，由于二者之間的膨脹系數相差太大，在溫度突變時基片容易裂片，所以它們之間的組裝就成為產品的關鍵工藝。最初采用常溫環氧進行粘接，后經試驗證明粘結的強度不夠，如果給產品較大的離心力基片會掉下來；然后，換成了高溫環氧，這次的粘結強度雖然可以，但是在溫度突變時基片產生了裂片；后經過大量的實驗驗證和理論計算，最終采用一種合格的粘結劑作為二者的粘結劑。同時用該粘結劑時要注意用酒精清洗，因為該粘結劑遇特定清洗劑粘結性會變差。

3．3 批產化問題

產品批量化生產基本要求：工序最少、調試最簡、采購方便。

在監控電路生產中，由于元器件質量及其參數的離散性，會有部分產品的部分技術指標產生差異，這就需要進行電路調試，主要是通過個別元件或電路參數的微調，校正產品技術參數，達到設計要求。電路調試技術要求較高，調試過程復雜，單個指標的調整，常常會影響到其它指標。因此，必須在設計時做精確計算，盡量避免過程調試，如果需要驗證，在小批量試流時予以解決。為了減少和簡化電路調試，生產中要嚴格按工藝操作，避免貼片、焊接各工序的人為錯誤。合理分布檢驗檢測點，消除低級錯誤。

另外，考慮到易于采購，對于設計過程中元件的選取采用了通用化、可替換代用的做法，不能通用、替換的元件固定生產廠家，保證質量，以適應大批量生產采購的要求。

4 新品特點

（1）兩路DC／DC電源輸出電壓紋波小，具有很寬的電壓輸入范圍，能夠完全滿足后級配套電路要求。

（2）電路內還集成了后級可控硅控制電路、隔離雙光耦驅動電路和兩組簡單數字電路。

（3）全金屬屏蔽封殼、接插件引出，整機調試使用方便。

（4）殼體帶有四個M3固定孔，方便產品的外加固。

5 質量和可靠性設計情況

產品從元器件的選取，電阻漿料的選取，陶瓷基片的制備，生產工藝的優化，安裝方法的優化，均作了精心的實驗和早期老化篩選，產品要求在軍標線生產和組裝，完全符合軍品的生產工藝流程。

為了保證產品的可靠性，具體在產品的抗振性能、防靜電、散熱、冗余設計等方面做了大量的工作。我們用灌封料將腔體內剩余的空隙填滿，使線路板與外殼成為一體，外殼使用平行封焊結構，并在底部設有四個安裝固定孔，提高了產品的抗振性能設計；元器件采取必要的降額設計并在其進廠后進行嚴格的工藝篩選，表貼元件采用再流焊工藝，焊接內部連線時操作工要帶防靜電手腕；將大功率發熱元件如振蕩管、整流管、變壓器、電感等貼裝于外殼底面上，利用傳導散熱將熱量散發出去，使產品正常工作時其內部元件有一個合理的熱應力環境等。

6 結束語

該產品輸出電壓紋波小，具有很寬的電壓輸入范圍，能夠完全滿足后級配套電路要求；全金屬屏蔽封殼、接插件引出，整機調試使用方便，可為用戶節約大量的調試時間，提高工作效率。該產品適合批量生產，用戶試用情況良好。該產品的研制成功具有良好的經濟效益。

［1］ 方佩敏，張國華．最新集成電路應用指南［M］．北京：電子工業出版社，2009．

［2］ 王錫吉．電子設備可靠性工程［M］．西安：陜西科學技術出版社，1992．

［3］ 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［4］ 謝沅清．模擬集成電路應用［M］．北京：人民郵電出版社，1984．